Введение к работе
Актуальность темы. Задача изучения ферромагнитного и спин-волнового ре-зонансов в тонних пленках представляет несомненный научный интерес, являясь частью общей проблемы магнитного резонанса и еще более фундаментальной проблемы взаимодействия излучения с веществом. Будучи яркими эффектами, подтверждающими многие представления современной физики, ферромагнитный и ешш-полновой резонансы одновременно являются весьма тонкими к эффективными методами изучения вещества. С их помощью могут быть получены сведения о магнитной структуре магнитоупорядоченных веществ, о природе взаимодействий в них, измерены их основные характеристики.
Явление резонансного взаимодействия электромагнитного поля с ферромагнетиками имеет и важное прикладное значение, поскольку лежит в основе функционирования многочисленных СВЧ устройств: преобразователей частоты, резонансных вентилей и фильтров, параметрических усилителей, ограничителей мощности, линий задержки.
Удобным объектом для изучения ферромагнитного (ФМР) и спин-волнового (СВР) резоиансов являются тонкие пленки феррит-гранатов. Это обусловлено тем, что благодаря возможности полного или частичного замещения ионов в редкоземельной и железных подрешетках можно получать пленки с весьма широким диапазоном значений физических параметров. Мощным толчком к изучению свойств пленок феррит-гранатов послужило открытие в них цилиндрических магнитных доменов, использующихся в качестве носителей информации в запоминающих устройствах, и гигантского фарадеевского вращения в висмутсодержащих пленках, обусловившего их применение в магнитооптических модуляторах и затворах. Малая ширина линии резонансного поглощения пленок иттрий-железного фаната определила еще одну важную область их применения - в СВЧ-устройствах.
Несмотря на большое число публикаций, посвященных исследованиям магнитного резонанса, к началу выполнения настоящей работы ряд важных аспектов этого явления, а также вопросов, касающихся свойств пленок феррит-фанатов, оставались неизученными. К их числу следует отнести вопросы о влиянии магнитной анизотропии на интенсивность и ширину резонансной линии.
2 В частности, интенсивность, являясь важным информационным параметром, в отличие от других характеристик, была малоизученной. Не был исследован ряд существенных факторов, определяющих ширину линии поглощения, не выявлены закономерности, присущие угловым зависимостям резонансного поля в магнитных пленках. В этой связи оставались неразработанными важные методы определения физических характеристик ферромагнетиков, основанных на явлении магнитного резонанса.
Кроме того, не все экспериментальные результаты по СВР в тонких пленках могут описываться теорией Киттеля, основанной на модели полного или частичного закрепления спинов за счет поверхностной анизотропии или моделью, предложенной Портисом и основанной на предположении о неоднородности намагниченности по толщине пленки. Оставались невыявленными и неизученными другие механизмы закрепления спинов.
Поэтому проведение исследований в данном направлении представляется актуальным и заслуживает внимания.
Цель работы состояла в том, чтобы: 1) изучить влияние магнитной анизотропии, диссипации и ряда других факторов на резонансное поле, интенсивность и ширину линий резонансного поглощения, разработать на основе полученных результатов новые методы измерений физических параметров магнитных пленок; 2) обосновать и экспериментально доказать возможность существования нового, диссипативного механизма закрепления спинов и изучить основные характеристики спектров СВР, обусловленного таким механизмом закрепления. Кроме того, одна из задач работы заключалась в исследовании физических свойств пленок феррит-гранатов методами ферромагнитного и спин-волнового резонансов. Развиваемое научное направление связано с углублением знаний и представлений о явлении магнитного резонанса в ферромагнетиках и раскрытием его новых аспектов.
Научная новизна заключается в следующем.
1. Показано, что к числу факторов, определяющих интенсивность линии ФМР в анизотропных магнитных пленках, относятся эллиптичность прецессии вектора намагниченности, а также разориентация векторов намагниченности М и постоянного магнитного поля Н. При прочих равных условиях интенсивность зависит от ориентации линейно поляризованного СВЧ-поля относительно осей эллипса прецессии намагниченности.
2. Установлен новый механизм уширения линии ФМР в анизотропных
магнитных пленках при промежуточных, между "трудным" и "легким",
направлениях внешнего магнитного поля. Причина уширения связана с
изменением равновесной ориентации намагниченности, . происходящим при
прохождения резонансных условий.
3. Показано, что при отсутствии разориентании между векторами
намагниченности и постоянного магнитного поля произведение ширины на
полусумму интенсивностей линии поглощения, измеренных при двух
ортогональных направлениях СВЧ-поля, является величиной, инвариантной
относительно выбора этих направлений и пропорциональной магнитному моменту
образна.
4. Установлено, что в пленках с ориентацией (111) максимальная вариация
резонансного поля на азимутальной зависимости наблюдается при углах между
Н и нормалью к пленке, соответствующих углу между М и нормалью, равному
60. Показано, что зависимость максимальной вариации резонансного поля от
поля кубической анизотропии является линейной в широком диапазоне значений
последнего.
-
Впервые проведен учет влияния дисперсии полей орторомбической анизотропии на ширину линии ФМР в пленках феррит-гранатов.
-
Предсказано и экспериментально подтверждено существование нового, диссипатнвного механизма закрепления спинов в многослойных магнитных пленках с сильно различающимися значениями параметра затухания в слоях.
-
Впервые исследована трансформация спектров спин-волнового резонанса при плавном переходе от симметричных к несимметричным граничным условиям. Установлено, что в переходной области на дисперсионной кривой появляется излом, положение которого зависит от степени закрепления спинов на одной из границ слоя возбуждения.
8. Обнаружено, что в зависимости от исходной симметрии граничных
условий при повышении температуры и переходе через точку Кюри слоя
закрепления может наблюдаться как возрастание, так и уменьшение числа спин-
волновых мод.
9. Показано, что в зависимости от характеристик слоев многослойной пленки
и граничных условий возможны несколько различных вариантов трансформации
спектра СВР, происходящей при изменении угла между полем и пленкой.
10. Установлено, что область экспоненциального затухания спиновых волн
слое закрепления является дополнительным каналом диссипации их энергии
может приводить к уширению линий спин-волновых мод, во много ра
превышающему собственную ширину линии слоя возбуждения.
11. Обнаружена анизотропия дисперсионных кривых спектров СВР
многослойных пленках при диссипативном механизме закрепления спинов
Анизотропия связана с дополнительным действием дисперсивных или реактивны:
(в зависимости от ориентации) свойств слоя закрепления.
12. Впервые исследован ряд важных характеристик пленок феррит-гранатов
переходные поверхностные слои; параметры анизотропии и константа обмена і
ионно-имплантированных слоях; температурная зависимость константь
обменного взаимодействия и другие.
Практическая ценность работы.
Ряд результатов работы имеет принципиальное значение дл) совершенствования имеющихся и разработки новых экспериментальных методо! определения параметров ферромагнетиков, основанных на явлении магнитногс резонанса.
Практические выводы составили-основу 5 заявок на изобретения, по которы& получены авторские свидетельства.
К числу результатов, составляющих практическую ценность работы, можнс отнести следующие.
1. Обоснован способ определения эффективного поля одноосной
анизотропии и g-фактора по интенсивности линии ФМР и резонансному полю.
Показано, что по зависимости интенсивности линии от ориентации СВЧ-подя
можно определить расположение "легкой" и "трудной" осей намагничивания в
пленках с орторомбической анизотропией.
-
Разработан новый метод измерения намагниченности насыщения по интенсивности и ширине линии ФМР в пленках с любым типом анизотропии: одноосной, кубической, орторомбической. Одно из преимуществ данного метода состоит в возможности измерений намагниченности в отдельных слоях многослойных и ионно-имплантированных пленок.
-
Еазработан новый способ определения поля кубической анизотропии. Показано, что, не прибегая к рентгеновскому методу, можно по форме угловой зависимости резонансного поля определять знак константы кубической
s низотропии и расположение основных кристаллографических осей в пленках с шоскостью(111).
4. Предложена форма образна, позволяющая создавать однородные
шпряжения в пленках способом изгиба, и показано, что при измерении методом
t>MP констант магнитострикции в пленках с плоскостью (1 И) можно исключить
іредварительное определение кристаллографических осей.
-
Предложен способ получения слоя с анизотропией "легкая плоскость" в тленке феррит-граната.
-
Разработана конструкция резонатора с внешним расположением образца к эадиоспектрометру, позволяющая производить измерения параметров ФМР по ііеразрушаюшей методике в пленочных образцах любых размеров.
7. Обнаруженная возможность возбуждения стоячих спиновых волн в
многослойных пленках с сильно различающимися значениями параметра
мтухания в слоях может найти применение при разработке приборов на спиновых
волнах.
8. Результаты исследований свойств пленок феррит-гранатов методами ФМР
и СВР также представляют интерес в плане практического применения. В
частности, полученные в работе данные по влиянию дозы и энергии ионов
имплантации, а также температуры на свойства ионно-имплантированных пленок
могут быть использованы для определения оптимальных режимов ионной
имплантации.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
-
К числу факторов, определяющих интенсивность линии ФМР относятся эллиптичность прецессии вектора намагниченности и разориентация между намагниченностью и постоянным магнитным полем. Эллиптичность в общем случае зависит от соотношения постоянного магнитного поля и поля анизотропии.
-
Изменение равновесной ориентации намагниченности, происходящее в процессе прохождения резонансных условий при промежуточных (между "трудным" и "легким") направлениях постоянного магнитного поля, приводит к уширению линии поглощения, которое может в несколько раз превышать собственную ширину линии.
-
В пленках с орторомбической анизотропией, в отличие от одноосных, на интенсивность и ширину линии поглощения существенное влияние оказывают
изменения равновесных значений как полярного, так и азимутального углов, определяющих положение вектора намагниченности.
4. Новые методы измерений намагниченности, полей анизотропии, g-
фактора, констант магнитострикции, основанные на явлении магнитного
резонанса.
5. В многослойных пленках с сильно (~102 раз) различающимися значениями
параметра затухания в обменно связанных слоях возможно существование нового,
диссипативного механизма закрепления спинов. Спектры СВР, обусловленные
данным механизмом закрепления, обладают рядом существенных особенностей.
6. Методики управляющего воздействия на степень закрепления спинов,
основанные на: 1) постепенном уменьшении толщины верхнего слоя закрепления;
2) переходе через точку Кюри слоя закрепления; 3) изменении угла между
внешним магнитным полем и пленкой. Плавный переход от симметричных к
несимметричным граничным условиям приводит к ярко выраженной
модификации дисперсионной зависимости и возрастанию примерно в два раза
числа возбуждаемых спин-волновых мод. В зависимости от исходной симметрии
граничных условий переход через точку Кюри слоя закрепления может
сопровождаться как уменьшением, так и возрастанием числа возбуждаемых спин-
волновых мод.
7. На релаксационные характеристики спектров СВР в многослойных пленках
существенное влияние может оказывать область затухания спиновых волн в слое
закрепления, являясь дополнительным каналом диссипации их энергии.
8. Результаты исследований физических свойств пленок феррит-гранатов
методами ферромагнитного и спин-волнового резонаасов.
Апробация. Основные результаты диссертации докладывались на XV Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Пермь, 1981), IV Всесоюзной школе-семинаре по доменным и магнитооптическим устройствам (Тбилиси, 1981), V Всесоюзном семинаре «Цилиндрические магнитные домены." физические свойства и технические применения» (Москва, 1981), 11 Всесоюзном совещании педвузов по физике магнитных материалов (Иркутск, 1982), Ломоносовских чтениях (МГУ, 1982), Xll-й Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Калинин, 1988), Всесоюзном семинаре «ЦМД/ВБЛ в системах обработки и хранения информации» (Москва, 1989), Всесоюзных, а затем Всероссийских школах-семинарах «Новые магнитные материалы
7 микроэлектроники»: УІІІ(Донецк, 1982), ІХ(Саранск, 1984), Х(Рнга, 1986), ХІ(Ташкент, 1988), ХЩНовгород, 1990), ХІІ1(Астрахань, 1992), ХІУ(Москва, 1994), ХУ(Москва, 1996).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 61 работе, в том числе защищены пятью авторскими свидетельствами на изобретения.
Личный вклад автора. Автору принадлежит выбор и обоснование основных направлений по теме работы, постановка и решение задач. Им же или при его непосредственном участии выполнены физические эксперименты. Большая часть многослойных пленок, исследованных в работе, выращена автором. В совместных публикациях соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, касающихся ферромагнитного и спин-волнового резонансов, объяснении полученных результатов и обосновании выводов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 314 страниц, включая 85 рисунков и 9 таблиц. Список литературы содержит 241 наименование.
